DE4010973A1 - Digitales squid-steuersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Quantum- Interferenzvorrichtung (SQUID), sie betrifft insbeson­ dere ein digitales SQUID-Steuersystem, das zur Messung eines von einem Objekt eingestrahlten schwachen magnetischen Flusses verwendet wird.

SQUID-Steuersysteme werden zum Detektieren eines schwachen Magnetflusses mit hoher Empfindlichkeit verwendet. Das heißt, das SQUID kann auf eine Änderung in einem schwachen Magnetfluß ansprechen, basierend auf dem Quanteninterferenzeffekt des Magnetflusses. Dement­ sprechend wird das SQUID hauptsächlich und insbesondere als hochempfindlicher Magnetflußmesser verwendet, wel­ ches einen hochempfindlichen Magnetsensor hat. Der hochempfindliche Magnetflußmesser wird z. B. bei medizinischen Einrichtungen verwendet, um den Magnet­ fluß von einem menschlichen Körper zu messen. Im allge­ meinen kann man SQUID-Steuersysteme in zwei Typen klassifizieren, d. h. ein SQUID vom analogen Typ und ein SQUID vom digitalen Typ. Sowohl die analogen als auch die digitalen Typen haben zwei Josephson-Übergänge und eine supraleitende Spule. Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales SQUID.

Der hochempfindliche Magnetflußmesser, der das SQUID verwendet, enthält ein SQUID, eine Aufnehmerspule, die den Magnetfluß von einem Objekt detektiert und magne­ tisch mit dem SQUID gekoppelt ist und eine Rückkopp­ lungsschaltung, die einen Steuerstrom an die Rückkopp­ lungsspule liefert, die ebenfalls magnetisch mit dem SQUID gekoppelt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein digita­ les SQUID-Steuersystem zu schaffen, welches fähig ist, einen schwachen Magnetfluß zu messen, der von einem Objekt, z. B. einem menschlichen Körper, eingestrahlt wird, und zwar mit hoher Empfindlichkeit und sehr hoher Präzision.

Ein digitales SQUID-Steuersystem zur Messung eines weichen magnetischen Stromes, der von einem Objekt eingestrahlt wird, umfaßt gemäß der vorliegenden einer supraleitenden Spule, einer Aufnehmerspule und einer Eingangsspule, wobei die Aufnehmerspule den weichen magnetischen Fluß von dem Objekt detektiert und einen Meßstrom in die Aufnehmerspule fließt, und die Eingangsspule über den Meßstrom magnetisch mit der supraleitenden Spule gekoppelt ist; eine Rückkopp­ lungsspule, die über einen Rückkopplungsstrom magne­ tisch mit der supraleitenden Spule gekoppelt ist; eine Pulszählschaltung zum Zählen positiver und negativer Impulse, die von dem SQUID eingegeben werden, um Zähl­ werte in eine analoge Spannung zu konvertieren und um die analoge Spannung zu dem Rückkopplungsstrom zu wandeln; eine Wechselstromgeneratorschaltung, die mit dem SQUID über einen Injektionsanschluß verbunden ist, um den Vormagnetisierungswechselstrom an das SQUID zu liefern; und einen Pulsratenmeßkreis zum Berechnen einer Summe der Zahl von positiven und negativen Impulsen, zum Wandeln der Summe in eine analoge Span­ nung und zum Ausgeben der Analogspannung an die Wechselstromgeneratorschaltung. Die Wechselstromgenera­ torschaltung steuert eine Amplitude des Vormagnetisie­ rungswechselstromes in solch einer Weise, daß die Summe der Zahl der positiven und der negativen Impulse pro Zeiteinheit konstant wird und die Pulszählschaltung steuert den Rückkopplungsstrom unter der Steuerung der Amplitude des Vormagnetisierungswechselstromes in solch einer Weise, daß die Differenz zwischen den positiven Impulsen und den negativen Impuls zu null wird, durch Fließen des Rückkopplungsstromes zu der magnetisch gekoppelten supraleitenden Spule.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines herkömmlichen digitalen SQUID-Steuer­ systems,

Fig. 2A bis 2D Ansichten zur Erklärung des Betriebs des SQUID der Fig. 1,

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm des digi­ talen SQUID-Steuersystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4A bis 4E Ansichten zur Erklärung des Betriebs der in Fig. 3 gezeigten Schaltung,

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm des digi­ talen SQUID-Steuersystems nach einer anderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines digitalen SQUID-Steuersystems nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 7 eine Ansicht zur Erklärung eines Verschie­ bepulses und einer Zählerrückstellung.

Vor Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird eine Erklärung eines herkömmlichen digitalen SQUID-Steuersystems gegeben.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm von einem Beispiel eines herkömmlichen digitalen SQUID- Steuersystems, welches als ein Magnetflußmeter verwen­ det wird. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 11 einen Amplitudenmodulations-Wellengenerator, 12 einen Aufwärts/Abwärts-Zähler, 13 einen digital-zu-analog- Konverter, 14 einen Tiefpaßfilter und 15 einen Strom­ wandler. Ferner ist in Fig. 1 ein SQUID bezeichnet, welches eine Josephson-Vorrichtung hat, die Josephson- Übergänge J 1, J 2 und eine supraleitende Spule L 2 enthält. L 1 bezeichnet eine supraleitende Eingangsspu­ le, L 3 bezeichnet eine Rückkopplungsspule, und L 4 bezeichnet eine supraleitende Aufnahmespule.

Bei diesem Aufbau detektiert die Aufnehmerspule L 4 den magnetischen Fluß Φ c, der von einem Objekt eingestrahlt wird, z. B. von einem menschlichen Körper und der gemessen werden soll. Dementsprechend fließt in der Eingangsspule L 1 ein Strom in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Die Spule L 2 des SQUID ist nahe der Eingangsspule L 1 angeordnet, um so eine magnetische Kopplung miteinander zu erzielen. Das SQUID besteht aus einem Kreis, der die Josephson-Über­ gänge J 1, J 2 und die Spule L 2 enthält. Ferner fließt ein Wechselvorspannungsstrom Ib, der von dem Amplitu­ denmodulations-Wellengenerator 11 erzeugt wird, durch einen Injektionsanschluß B in den Kreis. Dementspre­ chend wird der Vorspannungsstrom Ib dem in dem Kreis fließenden Strom überlagert.

Das SQUID ist eine Art Schaltelement. Das heißt, wenn der Strom, der einen vorbestimmten Schwellenwert über­ schreitet, in dem Kreis des SQUID fließt, wird von diesem eine Spannung erzeugt. Dementsprechend wird, um das SQUID in Abhängigkeit von dem Meßstrom zu schalten, der wechselnde Vorspannungsstrom Ib dem SQUID in der Nähe des Schwellenwertes des SQUID zugeführt.

Der Schaltimpuls des SQUID, welcher dem Vorspannungs­ strom Ib überlagert ist, wird durch den Aufwärts/Ab­ wärts-Zähler 12 über den Injektionsanschluß B gemessen. Das heißt, die Zahl der positiven Impulse und der negativen Impulse wird durch den Aufwärts/Abwärts- Zähler 12 in solch einer Weise gemessen, daß der Zähler erhöht wird, wenn ein positiver Impuls eingegeben wird, und der Zähler vermindert wird, wenn ein negativer Impuls eingegeben wird.

Da der Ausgang des Aufwärts/Abwärts-Zählers 12 ein digitaler Wert ist, wird dieser Wert durch den D/A-Kon­ verter 13 in eine analoge Spannung konvertiert. Der Tiefpaßfilter 14 ist vorgesehen, um eine hochfrequente Rauschkomponente zu eliminieren, die in der analogen Spannung enthalten ist. Der Stromwandler 15 ist vorge­ sehen, um die analoge Spannung in einen Strom zu wandeln. Dementsprechend werden die positiven und negativen Impulse an dem Injektionsanschluß B über den Tiefpaßfilter 14 und den Stromwandler 15 als Rückkopp­ lungsstrom If zu der Rückkopplungsspule L 3 zurückge­ führt. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Rückkopplungsspule L 3 nahe der supraleitenden Spule L 2 so angeordnet, daß eine magnetische Kopplung mit der Spule L 2 erzielt wird.

Die Fig. 2A bis 2D sind Ansichten zur Erklärung des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten SQUID.

Eine Schwellenwertcharakteristikkurve TC der Josephson- Übergänge J 1 und J 2 ist in Fig. 2A dargestellt. In diesem Falle bezeichnet Ic einen zu messenden Strom (unten, Meßstrom), der durch die Aufnehmerspule fließt, +Io und -Io sind Schwellenwerte, und Ib ist ein alternierender Vorspannungsstrom.

Unter der Annahme, daß der Meßstrom Ic gleich null ist, das heißt, daß kein Magnetfluß von dem Objekt in der Aufnehmerspule existiert, wenn die Amplitude des Vor­ magnetisierungsstromes oder Vorspannungsstromes Ib einen Wert zwischen dem Schwellenwert +Io und dem Schwellenwert -Io hat, wird die Ausgangsspannung der Josephson-Übergänge J 1 und J 2 in der Nähe der Zeiten t 1 und t 3 zu einem Nullpegel. Wenn dagegen der Meßstrom Ic null ist und die Amplitude des Vormagnetisierungsstro­ mes Ib größer als der Schwellenwert +Io und -Io ist, nimmt die Ausgangsspannung der Josephson-Übergänge J 1 und J 2 in der Nähe der Zeit t 2 einen hohen Pegel an.

Dementsprechend ist dann, wenn der Meßstrom Ic null ist, die Zahl der positiven Impulse (Ausgangsimpulse von den Josephson-Übergängen) gleich derjenigen der negativen Impulse, wie es in Fig. 2B gezeigt ist.

Wenn der Meßstrom Ic positiv ist und der Vormagnetisie­ rungs- oder Vorspannungsstrom Ib einen Wert zwischen dem Schwellenwert +Iop und dem Schwellenwert -Iop hat, wird die Anzahl der positiven Impulse größer als dieje­ nigen der negativen Impulse, weil die Schwellenwerte zu dem Schwellenwert +Iop und dem Schwellenwert -Iop ver­ schoben werden, entsprechend der Schwellenwertcharakte­ ristikkurve TC, wie es in Fig. 2C gezeigt ist.

Wenn der Meßstrom Ic negativ ist und der Vormagnetisie­ rungsstrom Ib einen Wert zwischen dem Schwellenwert +Ion und dem Schwellenwert -Ion hat, wird die Zahl der positiven Impulse kleiner als diejenigen der negativen Impulse, wie es in Fig. 2D gezeigt ist.

Bei dem tatsächlichen Meßprozeß wird die Amplitude des Vorspannungsstromes Ib in die Nähe des Schwellenwertes Io gesetzt. Ein Differenzstrom, der einer Differenz zwischen der Zahl der positiven Impulse und der Zahl der negativen Impulse entspricht, wird der Rückkopp­ lungsspule L 3 zugeführt.

Der Differenzstrom wird der Spule L 2 mittels der magne­ tischen Kopplung zwischen der Spule L 3 und der Spule L 2 zugeführt. Das heißt, der Magnetfluß, der durch den Differenzstrom bei der Rückkopplungsspule L 3 erzeugt wird, wird zu der Spule L 2 gekoppelt. Dementsprechend wird der Rückkopplungsstrom dem Meßstrom überlagert. Infolgedessen zeigt der Rückkopplungsstrom den zu messenden magnetischen Fluß an, weil der Magnetfluß Φ c von dem Objekt dem Rückkopplungsstrom If zu der Zeit entspricht, wenn die Zahl der positiven Impulse gleich derjenigen der negativen Impulse ist, wie es in Fig. 2B gezeigt ist.

Bei dem Stand der Technik wird die Amplitude des Vor­ magnetisierungsstromes Ib, der den Josephson-Übergängen J 1 und J 2 zugeführt ist, durch eine dreieckige Welle moduliert, die eine kleine Amplitude und eine niedrige Frequenz hat, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.

Dementsprechend wird bei dem Stand der Technik, um die Präzision der Messung zu erhöhen, die Amplitude der dreieckigen Welle auf einen möglichst kleinen Wert gesetzt (d.h. die Modulationsrate ist klein), oder die Frequenz des Vormagnetisierungsstromes wird auf einen möglichst hohen Wert gesetzt, um so die Zahl der posi­ tiven und negativen Impulse pro Zeiteinheit an den Injektionsanschluß B zu erhöhen.

Wenn die Amplitude der Dreieckswelle auf einen kleinen Wert gesetzt ist, erhält man jedoch nicht die positiven oder negativen Impulse, falls ein weicher Meßstrom Ic in die Aufnehmerspule eingegeben wird wenn die Amplitu­ de des Vormagnetisierungsstromes Ib sich zufällig zu einer kleinen Amplitude ändert.

Im Gegensatz dazu ändert sich dann, wenn die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib zu groß wird, die Anzahl der positiven und negativen Impulse nicht, weil die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes stets den Schwellenwert überschreitet. Ferner werden die Kosten der Teile, welche die Schaltung bilden, hoch, wenn die Frequenz des Vormagnetisierungsstromes Ib zunimmt.

Dementsprechend wird, um das obige Problem zu lösen, gemäß der vorliegenden Erfindung der Wechsel-Vormagne­ tisierungsstrom Ib, der den Josephson-Übergängen zuge­ führt wird, durch den Rückkopplungsbetrieb in Überein­ stimmung mit der Zahl der positiven Impulse, der Zahl der negativen Impulse und der Summe beider Impulse pro Zeiteinheit gesteuert. Das heißt, die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib wird auf solch eine Weise gesteuert, daß diese Impulse an dem Injektionsanschluß B konstant werden.

Infolge dessen ist es möglich, den magnetischen Fluß von einem Objekt mit hoher Empfindlichkeit, hoher Präzision und bei niedrigem Kostenaufwand zu messen, wie es weiter unten im Detail erklärt wird.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines digitalen SQUID-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3 zeigt die Bezugszahl 1 dasselbe SQUID wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ferner sind der Aufwärts/Abwärts-Zähler 4-1, der D/A-Konverter 4-2 und der Stromwandler 4-3 dieselben Komponenten, wie in Fig. 1 gezeigt.

Das Bezugsszeichen 2 bezeichnet einen Impulsratenmeß­ kreis. 3 bezeichnet eine Wechselstromgeneratorschal­ tung. Die Wechselstromgeneratorschaltung 3 umfaßt ferner einen Verstärker 3-1, der einen Operationsver­ stärker A hat, einen Wechselstromsignalgenerator 3-2 und einen Multiplizierer 3-3.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das SQUID von einem Kreis gebildet, der aus zwei Josephson-Übergängen J 1, J 2 und der supraleitenden Spule L 2 besteht. Wie oben beschrieben, wird der Ausgang des SQUID zwischen dem "Null-Pegel-Zustand" (Ausgangsspannung ist null) und dem "Hoch-Pegel-Zustand" (Ausgangsspannung ist nicht null), geschaltet, übereinstimmend damit, ob der Meß­ strom, der durch den Kreis fließt, den Schwellenwert überschreitet oder nicht.

Wie oben erklärt wurde, ist die supraleitende Spule L 2 magnetisch mit der Eingangsspule L 1 gekoppelt und der Meßstrom Ic, der durch die Spule L 1 fließt, wird den Josephson-Übergängen J 1 und J 2 zugeführt.

Der Pulsratenmeßkreis 2 zählt die Summe (Npn) der Zahl der positiven und der negativen Impulse, jeweils pro Zeiteinheit, z. B. pro Stunde, an dem Injektionssan­ schluß B. Diese Impulse werden von den Josephson-Über­ gängen J 1 und J 2 ausgegeben. Vpn bezeichnet die Spannung, die von der Summe Npn konvertiert wurde.

Der Wechselstromgenerator 3 erzeugt den wechselnden Vormagnetisierungsstrom Ib und liefert ihn über den Injektionsanschluß B an das SQUID. In diesem Fall wird die Spannung Vpn von dem Impulsratenmeßkreis 2 über den Widerstand R 2 in den Operationsverstärker A eingegeben. Der Betrieb dieses Generators 3 wird im folgenden detailliert erklärt.

Die Rückkopplungsspule L 3 ist magnetisch mit der supra­ leitenden Spule L 2 gekoppelt und der Rückkopplungsstrom If wird der Spule L 2 zugeführt.

Die Aufnehmerspule L 4 detektiert den weichen Magnet­ fluß, der von dem Objekt eingestrahlt wird, und erzeugt darin den induktiven Strom (d. h. den Meßstrom Ic). Der Meßstrom Ic fließt in die Eingangsspule L 1 und die Ein­ gangsspule L 1 erzeugt den Magnetfluß. Da die Eingangs­ spule L 1 in der Nähe der Spule L 2 so angeordnet ist, daß sie mit der Spule L 2 magnetisch gekoppelt ist, kann der Meßstrom Ic in den Kreis des SQUID fließen.

Wenn der Vormagnetisierungsstrom Ib größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist, werden, wie es oben erklärt wurde, die Josephson-Übergänge von dem Null-Pe­ gel-Zustand zu dem Hoch-Pegel-Zustand umgeschaltet. In diesem Fall wird der Vormagnetisierungsstrom Ib von dem Wechselstromgenerator 3 dem Meßstrom des Kreises über den Injektionsanschluß B überlagert. In diesem Falle wird die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes in die Nähe des Schwellenwertes des SQUID eingestellt. Dies geschieht, weil das SQUID zwischen dem Null-Pegel und einem hohen Pegel geschaltet wird, abhängig von dem Schwellenwert. Dementsprechend ist es möglich, dann, wenn der Vormagnetisierungsstrom Ib dem Meßstrom Ic überlagert wird, leicht die positiven Impulse und die negativen Impulse des SQUID zu erhalten. Diese positi­ ven und negativen Impulse an dem Injektionsanschluß B werden durch den Pulsratenmeßkreis 2 gezählt.

Der Verstärker 3-1 erzeugt eine Spannung Va von dem Operationsverstärker A. In dem Operationsverstärker 3-1 werden die Spannung Vpn von dem Pulsratenmeßkreis 2 und die Konstantspannung -V 1 an den Eingangsanschlüssen "a" bzw. "b" eingegeben, und die Spannung Va wird durch Addieren der Spannung Va und V 1 erhalten durch Inver­ tieren der obigen Summe, und durch Verstärken der invertierten Summe. Die Spannung Va wird dem Multipli­ zierer 3-3 eingegeben.

Der Mulitplizierer 3-3 multipliziert die alternierende Vorspannung Vbi des Generators 3-2 mit der Spannung Va des Operationsverstärkers A. Infolgedessen erhält man von dem Ausgang des Mulitplizierers 3-3 über den Wider­ stand R 4 den Vormagnetisierungsstrom Ib. Der Vormagne­ tisierungsstrom Ib wird dem Injektionsanschluß B zuge­ führt. In dem Injektionsanschluß B wird die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes in solch einer Weise gesteuert, daß die Summe der Zahl der positiven und der negativen Impulse stets auf einen konstanten Wert gesetzt werden kann.

Die Pulszählschaltung 4 wird aus dem Aufwärts/Abwärts- Zähler 4-1 zur Ermittlung der Differenz zwischen der Zahl der positiven Impulse und der Zahl der negativen Impulse, dem D/A-Konverter 4-2 zum Konvertieren der Differenz in eine analoge Spannung, und dem Stromwand­ ler 4-3 zum Wandeln der analogen Spannung in einen Strom und zur Lieferung des Stromes an die Rückkopp­ lungsspule L 3, gebildet.

Die Rückkopplungsspule L 3 ist magnetisch mit der supra­ leitenden Spule L 2 so gekoppelt, daß der Rückkopplungs­ strom der Spule L 2 zugeführt wird. Wie oben erklärt wurde, entspricht somit der Betrag des Rückkopplungs­ stromes If zu dem SQUID dem magnetischen Fluß Φ c, der gemessen werden soll.

Die Fig. 4A bis 4E zeigen Darstellungen zur Erklä­ rung des Betriebs der in Fig. 3 gezeigten Schaltungen.

In Fig. 4A ist, wie auch in Fig. 2A, die Kurve TC die Charakteristikkurve des SQUID. Die Ordinate bezeichnet den alternierenden Vormagnetisierungsstrom Ib und die Abszisse bezeichnet den Meßstrom Ic.

Wenn der Meßstrom Ic gleich null ist und die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib graduierlich in die Nähe des Schwellenwertes erhöht wird, wird, in tatsäch­ licher Praxis, die von dem SQUID erhöhte Rauschkompo­ nente der Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib überlagert, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist.

Die Zahl der positiven Impulse Np und die Zahl der negativen Impulse Nn wird ebenfalls graduierlich erhöht, wie es durch die Kurve in Fig. 4C gezeigt ist. Das heißt, wenn die Amplitude des Vormagnetisie­ rungsstromes Ib kleiner als der Schwellenwert Io ist, werden fast alle positiven und negativen Impulse von dem SQUID nicht ausgegeben. Wenn jedoch die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib größer als der Schwellenwert Io ist, werden die positiven und die negativen Impulse vollständig von dem SQUID ausgegeben, und sie ändern sich nicht in Übereinstimmung mit dem Meßstrom. Wie in Fig. 4C gezeigt ist, sind dann, wenn die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib ferner erhöht wird, die positiven und die negativen Impulse Np und Nn gesättigt und werden gleich der Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib, wie es durch die Kurve in Fig. 4C gezeigt ist.

In diesem Fall, wie es durch die Kurve in Fig. 4C gezeigt ist, wird dann, wenn die Amplitude des Vormag­ netisierungsstromes Ib der Schwellenwert Io ist, das heißt, wenn die Zahl der positiven Impulse und die Zahl der negativen Impulse gleich der Hälfte der Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib ist, die Änderungsrate der Zahl der positiven Impulse Np und der Zahl der negativen Impulse Nn maximal. Dementsprechend kann an diesem Punkt, da die Änderung der positiven und der negativen Impulse maximal wird, die Detektionsempfind­ lichkeit des Meßstromes auf den höchsten Zustand gesetzt werden.

An dieser Stelle werden die positiven und negativen Impulse in Übereinstimmung mit der Änderung des Rausch­ pegels erzeugt, da die Rauschkomponente quer über den Schwellenwert +Io oder -Io geht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dementsprechend die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib in solch einer Weise gesteuert, daß die Summe der Zahl der positiven und der negativen Impulse etwa gleich der Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib ist.

In Fig. 4D bezeichnet die Ordinate die Spannung Vpn und die Abszisse bezeichnet die Summe Npn der Zahl der positiven und der negativen Impulse. Der Pulsraten­ meßkreis 2 wandelt die Summe Npn in die Spannung Vpn um und gibt die Spannung Vpn aus.

In Fig. 4E bezeichnet die Ordinate die Spannung Va und die Abszisse bezeichnet die Summe Npn der positiven und der negativen Impulse. Der Verstärker 3-1 gibt die Spannung Va aus, basierend auf der Eingangsspannung Vpn und V 1. In diesem Falle ist die Relation zwischen der Summe Npn und der Spannung Vpn in Fig. 4D gezeigt. Die Spannung V 1, die dem Operationsverstärker A eingegeben wird, entspricht der Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib.

Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines digitalen SQUID-Steuersystems nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszahl 5 die Pulsratensetzschaltung, 6 einen Integrator und 7 den Wechselstromgenerator. Die anderen Komponenten sind dieselben Komponenten, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind.

Wie oben erklärt wurde, wird die Spannung Vpn durch Summieren der Zahl der positiven und der negativen Impulse und durch Wandeln der Summe in der Pulsraten­ meßschaltung 2 in eine Spannung erhalten. Die Pulsra­ tensetzschaltung 5 erzeugt die Spannung Vf 1, die der Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib entspricht. Die Spannungen Vf 1 und Vpn werden dem Integrator 6 eingegeben. Der Integrator 6 gibt die Spannung Va, die durch die Differenz zwischen der Spannung Vf 1 und der Spannung Vpn erhalten wird, an den Wechselstromgenerator 7 aus. Die Amplitude des Vormag­ netisierungsstromes Ib wird in solch einer Weise gesteuert, daß die Summe Npn der positiven und negativen Impulse gleich der Frequenz f 1 des Vormagne­ tisierungsstromes ist.

Die Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines digitalen SQUID-Steuersystems nach einem wiederum ande­ ren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und Fig. 7 ist eine Darstellung zur Erklärung des Schiebe­ impulses und der Zählerrückstellung.

In Fig. 6 bezeichnet 8 einen Pulsratenmeßkreis, der einen Impulszähler 8-1, ein Register 8-2 und einen D/A-Konverter 8-3 hat. Der Zähler 8-1 zählt die Zahl der positiven und der negativen Impulse oder die Summe davon, wenn der Meßstrom Ic bei einem Null-Pegel-Zu­ stand ist. Das Register 8-2 setzt die Zahl der Impulse, die von dem Zähler 8-1 gezählt werden, basierend auf dem Schiebeimpuls, der über den Schalter SW 1 eingegeben wird. Der Ausgang des Registers 8-2 wird durch den D/A-Konverter 8-3 zu einer Analogspannung konvertiert und die analoge Spannung wird dann dem Wechselstrom­ generator 7 eingegeben, der den Vormagnetisierungsstrom Ib ausgibt.

In diesem Fall wird der Schalter SW 1 in den offenen Zustand geschaltet, wenn die Zahl der Impulse an dem Injektionsanschluß B einen vorbestimmten Wert erreicht und die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes wird dann, basierend auf der Zahl der Impulse, die in dem Register 8-2 gehalten werden, gesteuert.

Claims (4)

1. Digitales SQUID-Steuersystem zum Messen eines wei­ chen magnetischen Flusses, der von einem Objekt einge­ strahlt wird, mit:
einem SQUID, das Josephson-Übergänge (J 1 und J 2) und eine supraleitende Spule (L 2) hat, die in Reihe mit den Josephson-Übergängen (J 1 und J 2) verbunden sind, um so eine Kreisschaltung zu bilden;
einer Detektoreinrichtung, die eine Aufnehmerspule (L 4) und eine Eingangsspule (L 1) hat, welche Spulen einen Schaltkreis bilden, wobei die Aufnehmerspule den weichen magnetischen Fluß von dem Objekt detektiert und einen Meßstrom (Ic) in die genannte Aufnehmerspule fließt, und die genannte Eingangsspule über den Meßstrom magnetisch mit der genannten supraleitenden Spule gekoppelt ist;
einer Rückkopplungsspule (L 3), die über einen Rück­ kopplungsstrom magnetisch mit der supraleitenden Spule gekoppelt ist;
einer Pulszählschaltung (4), die mit dem genannten SQUID an ihrer einen Eingangsseite verbunden ist und an ihrer anderen Ausgangsseite mit der genannten Rückkopp­ lungsspule verbunden ist, um positive und negative Impulse zu zählen, die von dem SQUID eingegeben werden, um Zählwerte in eine analoge Spannung zu wandeln und um die genannte analoge Spannung zu dem genannten Rück­ kopplungsstrom zu wandeln;
einer Wechselstromgeneratorschaltung (3), die über einen Injektionsanschluß (B) mit dem genannten SQUID verbunden ist, um einen alternierenden Vormagnetisie­ rungs- oder Vorspannungsstrom (Ib) zu erzeugen und diesen Vormagnetisierungswechselstrom an das SQUID zu liefern, um dem genannten Meßstrom über den genannten Injektionsanschluß in das SQUID zu überlagern, und einem Pulsratenmeßkreis (2), der über den genannten Injektionsanschluß an dessen Eingangsseite mit dem SQUID verbunden ist, und an seiner Ausgangsseite mit der Wechselstromgeneratorschaltung verbunden ist, um eine Summe (Npn) von Zahlen von positiven und negativen Impulsen zu berechnen;
wobei die genannte Wechselstromgeneratorschaltung eine Amplitude des genannten wechselnden Vormagneti­ sierungsstromes in solch einer Weise steuert, daß die genannte Summe der Zahl von positiven und negativen Impulsen pro Zeiteinheit konstant wird, und
die genannte Pulszählschaltung den genannten Rück­ kopplungsstrom unter der genannten Steuerung der genannten Amplitude des genannten wechselnden Vormagne­ tisierungsstromes in solch einer Weise steuert, daß eine Differenz zwischen den positiven Impulsen und den negativen Impulsen zu null wird, durch Fließen des genannten Rückkopplungsstromes durch die genannte mag­ netisch gekoppelte supraleitende Spule.

2. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem die genannte Wechselstromgeneratorschaltung umfaßt:
einen Verstärker (3-1), der einen Operationsver­ stärker (A) hat, um eine Spannung (Vpn) von dem genannten Pulsratenmeßkreis und eine Konstantspannung (V 1) einzugeben, die basierend auf der Frequenz (f 1) des genannten wechselnden Vormagnetisierungsstromes bestimmt ist, um eine Summe der Spannungen Vpn und V 1 zu invertieren und zu verstärken und um eine resultie­ rende Spannung (Va) auszugeben, und
einen Mulitplizierer (3-3) zum Multiplizieren einer alternierenden Vorspannung Vbi von einem Generator (3-2) mit einer Spannung (Va) von dem genannten Opera­ tionsverstärker und zum Ausgeben des genannten wech­ selnden Vormagnetisierungsstromes an den genannten Injektionsanschluß (B).

3. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1, wel­ ches digitale SQUID-Steuersystem ferner umfaßt:
einen Pulsratensetzkreis (5) zum Erzeugen einer Setzspannung (Vf 1), die der Frequenz (f 1) des genannten Vormagnetisierungs-Wechselstromes (Ib) entspricht, und
einen Integrator (6), der wirkungsmäßig mit der genannten Pulsratensetzschaltung (5) und dem genannten Pulsratenmeßkreis (2) an einer Eingangsseite verbunden ist, und der an einer Ausgangsseite mit der genannten Wechselstromgeneratorschaltung (7) verbunden ist, um die Setzspannung (Vf 1) und die Spannung (Vpn) diesem einzugeben, und um eine Differenzspannung (Va) zwischen der Setzspannung (Vf 1) und der Spannung (Vpn) an die Wechselstromgeneratorschaltung abzugeben.

4. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem der genannte Pulsratenmeßkreis umfaßt:
einen Zähler (8-1), der wirkungsmäßig mit dem genannten Injektionsanschluß (B) verbunden ist, um die Zahl der positiven Impulse, die Zahl der negativen Impulse und die Summe der positiven und der negativen Impulse zu zählen,
ein Register (8-2), das wirkungsmäßig mit dem genannten Zähler verbunden ist, um einen Wert, der von dem genannten Zähler gezählt wird, unter Verwendung eines Schiebeimpulses zu setzen, der über einen Schal­ ter (SW 1) eingegeben wird, und
einen digital-zu-analog-Konverter (8-3), der wirkungsmäßig mit dem genannten Register verbunden ist, um die in dem genannten Register gespeicherten Impulse zu einem analogen Wert zu konvertieren, und um den analogen Wert an die genannte Wechselstromgenerator­ schaltung (7) auszugeben.